Neodimov kovin: lastnosti, proizvodnja in uporaba

Neodim je kemični element s simbolom Nd in atomsko številko 60. To je mehka srebrna kovina, ki se bledi v zraku. Leta 1885 ga je odkril avstrijski kemik Carl Auer von Welsbach. Snov je v znatnih količinah prisotna v nanosih monazitnega peska in mineralu, kot je bastnezit.

Zgodovina

Redko zemeljsko kovino neodima je odkril avstrijski kemik Baron Carl Auer von Welsbach na Dunaju leta 1885. Znanstveniki so izločili novo snov (kot tudi praseodimski element) iz materiala, znanega kot didyme, s frakcijsko kristalizacijo amonijevega nitratnega tetrahidrata iz dušikove kisline po separaciji s spektroskopsko analizo. Vendar do leta 1925 element ni mogel dobiti v čisti obliki.

Do konca leta 1940 je bila glavna reklama način proizvodnje kovin prišlo je do dvojne kristalizacije nitratov. Metoda je neučinkovita in količina pridobljene snovi je majhna. Lindsay Chemical Division je bil prvi, ki je začel obsežne proizvodnje neodim z metodo ionske izmenjave. Od petdesetih let prejšnjega stoletja je zelo očiščen (nad 99%) element v glavnem pridobljen kot posledica procesa ionske izmenjave monazita, bogatega z redkimi zemeljskimi elementi, z elektrolizo njegovih halidnih soli.

Trenutno se večina kovinskega neodima pridobiva iz bastnezita. Razvoj tehnologij in razvoj izboljšanih načinov čiščenja sta omogočila, da jo v industriji pogosto uporabljata.

Opis

Kemični element se ne pojavlja naravno v kovinski obliki, ločen je od didimične snovi, v katerem se zmeša z drugimi lantanidi (zlasti s praseodimijem). Čeprav je neodim razvrščen v redko zemeljsko kovino, je to precej pogost element, ki se pojavlja vsaj v kobaltu, niklju ali bakru in je široko razširjen v zemeljski skorji. Večina zadev se minira na Kitajskem.

Neodimske spojine so bile prvič komercialno uporabljene kot steklena barvila leta 1927 in ostajajo priljubljena dodatna oprema v očalih. Barva neodimovih spojin zaradi prisotnosti Nd ionov³⁺ pogosto ima rdečkasto-vijolično odtenek, vendar se razlikuje glede na vrsto osvetlitve.

Uporaba

Leče, dopirane z neodimom, se uporabljajo v laserih, ki oddajajo infrardeče sevanje z valovno dolžino od 1047 do 1062 nanometrov. Uporabljajo se v sistemih z izjemno visoko močjo, na primer v eksperimentih na inercialnem zadrževanju.

Neodimov kovin se uporablja tudi z drugimi kristali (kot je itrij-aluminij granat) v serijah Nd: YAG serije. Ta namestitev običajno oddaja infrardeče žarke z valovno dolžino okoli 1064 nm. To je eden od najpogosteje uporabljenih trdni laserji.

Druga pomembna uporaba kovinskega neodima je kot ojačitvena komponenta v zlitinah, ki se uporabljajo za izdelavo močnih trdnih trajnih magnetov. Veliko jih uporabljajo v izdelkih, kot so mikrofoni, profesionalni zvočniki, ušesne slušalke, visoko zmogljivi enosmerni motorji, računalniške trde diske - kjer je potrebna majhna magnetna masa (volumen) ali močna magnetna polja.

Veliki neodimski magneti se uporabljajo v elektromotorjih z visoko močjo in težo (na primer pri hibridnih avtomobilih) in generatorjev (npr. Električnih generatorjev letal in vetrnih elektrarn). Element se uporablja tudi za utrjevanje določenih zlitin. Na primer, titan postane enolapor bolj močan po dodajanju le 1,5% te snovi.

Fizične lastnosti

Kovinski neodim je prisoten v klasični zlitini (zlitina redkih zemeljskih elementov), ​​kjer je njegova koncentracija običajno približno 18%. V svoji čisti obliki element ima svetlo srebrno-zlati kovinski sijaj, vendar se hitro oksidira v navadnem zraku. Plastika oksidov, ki osiromaši, izpostavlja kovino nadaljnji oksidaciji. Tako je centimeterski vzorec snovi popolnoma oksidiran v enem letu.

Neodim običajno obstaja v dveh alotropnih oblikah s preoblikovanjem iz dvojne heksagonalne kubične strukture od središča do centra. Taljenje se začne pri 1024 ° C in vreli pri 3074 ° C. Gostota snovi v trdni fazi je 7,01 g / cm³, v tekočem stanju - 6,89 g / cm³.

Atomske lastnosti:

• Oksidacijsko stanje: +4, +3, +2 (bazični oksid).
• Elektronegativnost: 1,14 (glede na lestvico Polling).
• Toplotna prevodnost: 16,5 W / (mmdot-K).
• Energija ionizacije je 1: 533,1 kJ / mol, 2: 1040 kJ / mol, 3: 2130 kJ / mol.
• Radij atoma: 181 pikometrov.

Kemijske lastnosti

Kovinski neodim počasi bledi v zraku in rahlo opeče pri temperaturi približno 150 ° C, da se tvori neodimov (III) oksid:

4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃

To je elektropozitivni element. Počasi reagira s hladno vodo, a precej hitro - z vročim, ki tvori neodimov (III) hidroksid:

2Nd (s) + 6H₂O (1) → 2Nd (OH)₃ (aq) + 3H₂(g)

Kovina močno reagira z vsemi halogeni, zlahka se raztopi v razredčeni žvepleni kislini, da se oblikujejo raztopine, ki vsebujejo vijolični Nd (III) ion.

Proizvodnja

Neodimijska kovina se v naravi nikoli ne nahaja kot prost element. Od takih rud se pridobiva kot bastnezit in monazit, v katerem je vezan na druge lantanide in druge elemente. Glavne rudarske površine za te rudnine so na Kitajskem, v Združenih državah, Braziliji, Indiji, Šri Lanki in Avstraliji. Majhne vloge so raziskane v Rusiji.

Rezerve neodima so ocenjene na približno 8 milijonov ton. Njegova koncentracija v Zemljini skorji znaša približno 38 mg / kg, kar je druga največja izmed redkih zemeljskih elementov po ceriju. Svetovna proizvodnja kovin je okoli 7000 ton. Večina proizvodnje pripada Kitajski. Vlada LRK je nedavno priznala element kot strateško pomembne in uvedla omejitve za svoj izvoz, kar je povzročilo nekatere pomisleke v potrošniških državah in povzročilo močno rast cen neodimov na 500 dolarjev. Danes se povprečna cena na kilogram čistega kovine razlikuje v razponu od 300-350 dolarjev, neodimovi oksidi so cenejši: 70-130 dolarjev.

Obstajajo primeri, ko so stroški kovine padli na 40 dolarjev zaradi nezakonite trgovine, ki je zaostrila omejitve kitajske vlade. Zaradi negotovosti glede oblikovanja cen in razpoložljivosti so japonska podjetja razvila trajne magnete in pripadajoče elektromotorje z manj redkih zemeljskih elementov ali brez njih.